JP2021086106A - 表示装置、表示システム、移動体および光量制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】必要な範囲の光量を検出できる【解決手段】光源素子１１１から照射される照射光を、主走査方向と、主走査方向に交差する副走査方向とに走査する光偏向装置１３と、光偏向装置１３により照射光が走査されるスクリーン１５と、光偏向装置１３が、スクリーン１５上の画像形成領域２２０にて照射光を走査するときに、画像情報に基づき、予め設定された光量の範囲を示す設定光量範囲内で照射光の光量が変化するように、光源素子１１１を制御する制御回路３００と、光偏向装置１３が画像形成領域２２０とは異なる位置の光量制御領域２１０にて照射光を走査するときに、照射光の光量を検出する光検出器１１９と、を備え、光偏向装置１３が光量制御領域２１０にて照射光を走査するときに、設定光量範囲を超える第１の光量を含む第１の検出光量範囲内で、照射光の光量が変化するように光源素子１１１を制御する。【選択図】図２０

Description

本発明は、表示装置、表示システム、移動体および光量制御方法に関する。

特許文献１では、光走査部が表示画像の外部の領域を走査する際、当該走査する光の光量を光量検出部によって検出し、検出した光量に基づき記憶部に記憶された制御電流と光量との関係を更新する画像表示装置を開示している。

特許文献２では、光偏向器でレーザ光が被走査面に向けて偏向されるときの発光強度の調整目標値である第１発光強度調整目標値及び光量の調整目標値を画像の目標輝度に基づいて設定するとともに、光偏向器でレーザ光が光検出器に向けて偏向されるときの発光強度の調整目標値である第２発光強度調整目標値を、目標輝度が検出感度に基づいて設定された閾値未満である場合、第２発光強度調整目標値を、第１発光強度調整目標値よりも大きくする画像形成装置を開示している。

本発明は、必要な範囲の光量を検出できる表示装置、表示システム、移動体および光量制御方法を提供することを目的とする。

請求項１に係る表示装置は、光源から照射される照射光を、第１の走査方向と、第１の走査方向に交差する第２の走査方向とに走査する走査部と、走査部により照射光が走査されるスクリーンと、走査部が、スクリーン上の画像領域にて照射光を走査するときに、画像情報に基づき、予め設定された光量の範囲を示す設定光量範囲内で照射光の光量が変化するように、光源を制御する制御部と、走査部が画像領域とは異なる位置の検出領域にて照射光を走査するときに、照射光の光量を検出する光検出部と、を備え、制御部は、走査部が検出領域にて照射光を走査するときに、設定光量範囲を超える第１の光量を含む第１の検出光量範囲内で、照射光の光量が変化するように光源を制御する。

本発明は、必要な範囲の光量を検出できる表示装置、表示システム、移動体および光量制御方法を提供することができる。

実施形態に係る表示システムのシステム構成の一例を示す図である。 実施形態に係る表示装置のハードウエア構成の一例を示す図である。 実施形態に係る表示装置の機能構成の一例を示す図である。 実施形態に係る光偏向装置の具体的構成の一例を示す図である。 実施形態に係るスクリーンの具体的構成の一例を示す図である。 マイクロレンズアレイにおいて、入射光束径とレンズ径の大小関係の違いによる作用の違いについて説明するための図である。 光偏向装置のミラーと走査範囲の対応関係について説明するための図である。 ２次元走査時の走査線軌跡の一例を示す図である。 実施形態に係る光源装置の具体的構成の一例を示す図である。 実施形態に係る光源装置から射出されたレーザ光のスクリーン上における走査領域の一例を示す図である。 実施形態に係る光源装置の構成の一例を概略的に示した図である。 実施形態に係る制御回路の機能構成の一例を示す図である。 光源素子からの出力光量のアナログ電流値の特性を示す図である。 （ａ）光源素子の出力光量と電流デジタル値の特性を示す図である。（ｂ）光検出器の出力と電流デジタル値の特性を示す図である。 実施形態に係る光源装置において、光量制御方法の一例を示すフローチャートである。 実施形態に係る光源装置における光量テーブルの一例である。 （ａ）階調と光量の関係、および（ｂ）階調と電流の関係を示す図である。 光量制御領域２１０における電流及び光量の制御を説明する図である。 パルス幅の異なる２つのＩＬ特性の説明図である。 単位時間あたりのパルス数が異なる２つのＩＬ特性の説明図である。 図１５に示したフローチャートのステップＳ４の詳細を示すフローチャートである。

以下、図面を参照しながら、発明を実施するための形態を説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

●システム構成●
まず、図１乃至図８を用いて、各実施形態における光源装置が適用されるシステムについて説明する。図１は、実施形態に係る表示システムのシステム構成の一例を示す図である。表示システム１は、表示装置１０から投射される投射光を、透過反射部材に投射させることによって観察者３に表示画像を視認させるシステムである。表示画像は、観察者３の視界に虚像４５として重畳して表示する画像である。

表示システム１は、例えば、車両、航空機もしくは船舶等の移動体、または操縦シミュレーションシステムもしくはホームシアターシステム等の非移動体に備えられる。本実施形態は、表示システム１が、移動体の一例である自動車に備えられた場合について説明する。なお、表示システム１の使用形態は、これに限られるものではない。

表示システム１は、例えば、フロントガラス５０を介して車両の操縦に必要なナビゲーション情報（例えば車両の速度、進路情報、目的地までの距離、現在地名称、車両前方における物体（対象物）の有無や位置、制限速度等の標識、渋滞情報等の情報等）を、観察者３（操縦者）に視認可能にする。この場合、フロントガラスは、入射された光の一部を透過させ、残部の少なくとも一部を反射させる透過反射部材として機能する。観察者３の視点位置からフロントガラス５０までの距離は、数十ｃｍ〜１ｍ程度である。

表示システム１は、表示装置１０、自由曲面ミラー３０およびフロントガラス５０を備える。表示装置１０は、例えば、移動体の一例である自動車に搭載されたヘッドアップディスプレイ装置（ＨＵＤ装置）である。表示装置１０は、自動車のインテリアデザインに準拠して任意の位置に配置される。表示装置１０は、例えば、自動車のダッシュボードの下方に配置されてもよく。ダッシュボード内に埋め込まれていてもよい。

表示装置１０は、レーザ光を出力する光源装置１１と、光源装置１１から出力されたレーザ光を偏向、走査する光偏向装置１３（走査部の一例）と、光偏向装置１３によって偏向、走査されたレーザ光を発散させるスクリーン１５を備える。光源装置１１は、光源から射出されたレーザ光を、装置外部へ照射するデバイスである。光源装置１１は、例えば、Ｒ、Ｇ、Ｂの３色のレーザ光を合成したレーザ光を照射してもよい。光源装置１１から射出（出力）されたレーザ光は、光偏向装置１３の反射面に導かれる。光源装置１１は、光源として、ＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）等の半導体発光素子を有する。なお、光源は、これに限られず、ＬＥＤ（ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ）等の半導体発光素子を有してもよい。

光偏向部としての光偏向装置１３は、光源装置１１から射出された光を主走査方向（第１の走査方向の一例）および主走査方向に直交する副走査方向（第２の走査方向の一例）に走査して、光学素子としてのスクリーン１５上に中間像４０を形成するものであり、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）等を利用してレーザ光の進行方向を変化させるデバイスである。光偏向装置１３は、例えば、直交する２軸に対して揺動する単一の微小なＭＥＭＳミラー、または１軸に対して揺動もしくは回転する２つのＭＥＭＳミラーからなるミラー系等の走査手段を利用して構成される。光偏向装置１３から出力されたレーザ光は、スクリーン１５に走査される。なお、光偏向装置１３は、ＭＥＭＳミラーに限られず、ポリゴンミラー等を用いて構成されてもよい。

光を発散させる光学素子としてのスクリーン１５は、レーザ光を所定の発散角で発散させる機能を有する発散部材である。スクリーン１５は、例えば、ＥＰＥ（Ｅｘｉｔ Ｐｕｐｉｌ Ｅｘｐａｎｄｅｒ）の形態として、マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）または拡散板等の光拡散効果を持つ透過型の光学素子によって構成される。なお、スクリーン１５は、マイクロミラーアレイ等の光拡散効果を持つ反射型の光学素子によって構成されてもよい。スクリーン１５は、光偏向装置１３から出力されたレーザ光がスクリーン１５上に走査されることによって、スクリーン１５上に二次元像である中間像４０を形成する。

ここで、表示装置１０の投射方式は、液晶パネル、ＤＭＤパネル（デジタルミラーデバイスパネル）または蛍光表示管（ＶＦＤ）等イメージングデバイスで中間像４０を形成する「パネル方式」と、光源装置１１から出力されたレーザ光を走査手段で走査して中間像４０を形成する「レーザ走査方式」がある。

本実施形態に係る表示装置１０は、後者の「レーザ走査方式」を採用する。「レーザ走査方式」は、各画素に対して発光または非発光を割り当てることができるため、一般に高コントラストの画像を形成することができる。なお、表示装置１０は、投射方式として「パネル方式」を用いてもよい。

スクリーン１５から出力されたレーザ光（光束）によって、自由曲面ミラー３０およびフロントガラス５０に投射された虚像４５は、中間像４０から拡大されて表示される。自由曲面ミラー３０は、フロントガラス５０の湾曲形状による画像の傾き、歪、位置ずれ等を相殺するように設計および配置されている。自由曲面ミラー３０は、所定の回転軸を中心として回転可能に設置されてもよい。これにより、自由曲面ミラー３０は、スクリーン１５から出力されたレーザ光（光束）の反射方向を調整し、虚像４５の表示位置を変化させることができる。

ここでは、自由曲面ミラー３０は、虚像４５の結像位置が所望の位置になるように、一定の集光パワーを有するように既存の光学設計シミュレーションソフトを用いて設計されている。表示装置１０は、虚像４５が観察者３の視点位置から例えば１ｍ以上かつ３０ｍ以下（好ましくは１０ｍ以下）の位置（奥行位置）に表示されるように、自由曲面ミラー３０の集光パワーを設定する。なお、自由曲面ミラー３０は、凹面ミラーやその他集光パワーを有する素子であってもよい。自由曲面ミラー３０は、結像光学系の一例である。

フロントガラス５０は、レーザ光（光束）の一部を透過させ、残部の少なくとも一部を反射させる機能（部分反射機能）を有する透過反射部材である。フロントガラス５０は、観察者３に前方の景色および虚像４５を視認させる半透過鏡として機能する。虚像４５は、例えば、車両情報（速度、走行距離等）、ナビゲーション情報（経路案内、交通情報等）、警告情報（衝突警報等）等を観察者３に視認させるための画像情報である。なお、透過反射部材は、フロントガラス５０とは別途設けられたフロントウインドシールド等であってもよい。フロントガラス５０は、反射部材の一例である。

虚像４５は、フロントガラス５０の前方の景色と重畳するように表示されてもよい。また、フロントガラス５０は、平面でなく、湾曲している。そのため、虚像４５の結像位置は、自由曲面ミラー３０とフロントガラス５０の曲面によって決定される。なお、フロントガラス５０は、部分反射機能を有する個別の透過反射部材としての半透過鏡（コンバイナ）を利用してもよい。

このような構成により、スクリーン１５から出力されたレーザ光（光束）は、自由曲面ミラー３０に向けて投射され、フロントガラス５０で反射される。観察者３は、フロントガラス５０で反射された光によって、スクリーン１５に形成された中間像４０が拡大された虚像４５を視認することができる。

●ハードウエア構成●
図２は、実施形態に係る表示装置のハードウエア構成の一例を示す図である。なお、図２に示すハードウエア構成は、必要に応じて構成要素が追加または削除されてもよい。

表示装置１０は、表示装置１０の動作を制御するためのコントローラ１７を有する。コントローラ１７は、表示装置１０の内部に実装された基板またはＩＣチップ等である。コントローラ１７は、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）１００１、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）１００２、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）１００３、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）１００４、Ｉ／Ｆ（Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）１００５およびバスライン１００６を含む。

ＦＰＧＡ１００１は、表示装置１０の設計者による設定変更が可能な集積回路である。ＣＰＵ１００２は、表示装置１０全体を制御するための処理を行う集積回路である。ＲＯＭ１００３は、ＣＰＵ１００２を制御するプログラムを記憶する記憶装置である。ＲＡＭ１００４は、ＣＰＵ１００２のワークエリアとして機能する記憶装置である。Ｉ／Ｆ１００５は、外部装置と通信するためのインターフェースである。Ｉ／Ｆ１００５は、例えば自動車のＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）等に接続される。

ＬＤ１００７は、例えば、光源装置１１の一部を構成する半導体発光素子である。ＭＥＭＳ１００９は、光偏向装置１３の一部を構成し、走査ミラーを変位させるデバイスである。モータ１０１１は、自由曲面ミラー３０の回転軸を回転させる電動機である。

●機能構成●
図３は、実施形態に係る表示装置の機能構成の一例を示す図である。表示装置１０により実現される機能は、車両情報受信部１７１、外部情報受信部１７２、画像生成部１７３および画像表示部１７４を含む。

車両情報受信部１７１は、ＣＡＮ等から自動車の情報（速度、走行距離等の情報）を受信する機能である。車両情報受信部１７１は、図２に示したＩ／Ｆ１００５およびＣＰＵ１００２の処理、並びにＲＯＭ１００３に記憶されたプログラム等により実現される。

外部情報受信部１７２は、外部ネットワークから自動車外部の情報（ＧＰＳからの位置情報、ナビゲーションシステムからの経路情報または交通情報等）を受信する機能である。外部情報受信部１７２は、図２に示したＩ／Ｆ１００５およびＣＰＵ１００２の処理、並びにＲＯＭ１００３に記憶されたプログラム等により実現される。

画像生成部１７３は、車両情報受信部１７１および外部情報受信部１７２により入力された情報に基づいて、中間像４０および虚像４５を表示させるための画像情報を生成する機能である。画像生成部１７３は、図２に示したＣＰＵ１００２の処理、およびＲＯＭ１００３に記憶されたプログラム等により実現される。

画像表示部１７４は、画像生成部１７３により生成された画像情報に基づいて、スクリーン１５に中間像４０を形成し、中間像４０を構成したレーザ光（光束）をフロントガラス５０に向けて投射して虚像４５を表示させる機能である。画像表示部１７４は、図２に示したＣＰＵ１００２およびＦＰＧＡ１００１の処理、並びにＲＯＭ１００３に記憶されたプログラム等により実現される。

画像表示部１７４は、制御部１７５、中間像形成部１７６および投影部１７７を含む。
制御部１７５は、中間像４０を形成するために、光源装置１１および光偏向装置１３の動作を制御する制御信号を生成する。また、制御部１７５は、虚像４５を所定の位置に表示させるために、自由曲面ミラー３０の動作を制御する制御信号を生成する。

中間像形成部１７６は、制御部１７５によって生成された制御信号に基づいて、スクリーン１５に中間像４０を形成する。投影部１７７は、観察者３に視認させる虚像４５を形成するために、中間像４０を構成したレーザ光を、透過反射部材（フロントガラス５０等）に投射させる。

●光偏向装置●
図４は、実施形態に係る光偏向装置の具体的構成の一例を示す図である。光偏向装置１３は、半導体プロセスにより製造されるＭＥＭＳミラーであり、ミラー１３０、蛇行状梁部１３２、枠部材１３４、および圧電部材１３６を含む。光偏向装置１３は、走査部の一例である。

ミラー１３０は、光源装置１１から出力されたレーザ光をスクリーン１５側に反射する反射面を有する。光偏向装置１３は、ミラー１３０を挟んで一対の蛇行状梁部１３２を形成する。蛇行状梁部１３２は、複数の折り返し部を有する。折り返し部は、交互に配置される第１の梁部１３２ａと第２の梁部１３２ｂとから構成されている。蛇行状梁部１３２は、枠部材１３４に支持されている。圧電部材１３６は、隣接する第１の梁部１３２ａと第２の梁部１３２ｂとを接続するように配置されている。圧電部材１３６は、第１の梁部１３２ａと第２の梁部１３２ｂとに異なる電圧を印加し、梁部１３２ａ，１３２ｂのそれぞれに反りを発生させる。

これにより、隣接する梁部１３２ａ，１３２ｂは、異なる方向に撓む。ミラー１３０は、撓みが累積されることによって、左右方向の軸を中心として垂直方向に回転する。このような構成により、光偏向装置１３は、垂直方向への光走査が低電圧で可能となる。上下方向の軸を中心とした水平方向の光走査は、ミラー１３０に接続されたトーションバー等を利用した共振により行われる。

●スクリーン●
図５は、実施形態に係るスクリーンの具体的構成の一例を示す図である。スクリーン１５は、光源装置１１の一部を構成するＬＤ１００７から出力されたレーザ光を結像させる。また、スクリーン１５は、所定の発散角で発散させる発散部材である。スクリーン１５は、光学素子の一例である。図５に示すスクリーン１５は、六角形形状を有する複数のマイクロレンズ１５０が隙間なく配列されたマイクロレンズアレイ構造を有している。マイクロレンズ１５０のレンズ径（対向する２辺間の距離）は、２００μｍ程度である。スクリーン１５は、マイクロレンズ１５０の形状を六角形とすることにより、複数のマイクロレンズ１５０を高密度で配列することができる。

なお、マイクロレンズ１５０の形状は、六角形に限られるものではなく、例えば四角形、三角形等であってもよい。また、複数のマイクロレンズ１５０が規則正しく配列された構造を例示しているが、マイクロレンズ１５０の配列は、これに限られるものではなく、例えば、各マイクロレンズ１５０の中心を互いに偏心させ、不規則な配列としてもよい。このように偏心させた配列を採用する場合、各マイクロレンズ１５０は、互いに異なる形状となる。

図６は、マイクロレンズアレイにおいて、入射光束径とレンズ径の大小関係の違いによる作用の違いについて説明するための図である。図６（ａ）において、スクリーン１５は、マイクロレンズ１５０が整列して配置された光学板１５１によって構成される。光学板１５１上に入射光１５２を走査する場合、入射光１５２は、マイクロレンズ１５０により発散され、発散光１５３となる。スクリーン１５は、マイクロレンズ１５０の構造により、入射光１５２を所望の発散角１５４で発散させることができる。この発散角１５４は、マイクロレンズ１５０の曲率と対応関係がある。マイクロレンズ１５０の周期１５５は、入射光１５２の径１５６ａよりも大きくなるように設計される。これにより、スクリーン１５は、レンズ間での干渉を起こさずに、干渉ノイズの発生を抑制する。

図６（ｂ）は、入射光１５２の径１５６ｂが、マイクロレンズ１５０の周期１５５の２倍大きい場合の発散光の光路を示す。入射光１５２は、二つのマイクロレンズ１５０ａ、１５０ｂに入射し、それぞれ発散光１５７、１５８を生じさせる。このとき、領域１５９において、二つの発散光が存在するため、光の干渉を生じうる。この干渉光が観察者の目に入った場合、干渉ノイズとして視認される。

以上を考慮して、干渉ノイズを低減するため、マイクロレンズ１５０の周期１５５は、入射光の径１５６よりも大きく設計される。なお、図６は、凸面レンズの形態で説明したが、凹面レンズの形態においても同様の効果があるものとする。

図７は、光偏向装置のミラーと走査範囲の対応関係について説明するための図である。光源装置１１の各光源素子は、ＦＰＧＡ１００１によって発光強度や点灯タイミング、光波形が制御される。各光源素子から出力され光路合成されたレーザ光は、図７に示すように、光偏向装置１３のミラー１３０によってα軸周り、β軸周りに二次元的に偏向され、ミラー１３０を介して走査光としてスクリーン１５に照射される。すなわち、スクリーン１５は、光偏向装置１３による主走査および副走査によって二次元走査される。

走査範囲は、光偏向装置１３によって走査しうる全範囲である。走査光は、スクリーン１５の走査範囲を、２〜４万Ｈｚ程度の速い周波数で主走査方向（Ｘ軸方向）に振動走査（往復走査）しつつ、数十Ｈｚ程度の遅い周波数で副走査方向（Ｙ軸方向）に片道走査する。すなわち、光偏向装置１３は、スクリーン１５に対してラスタースキャンを行う。この場合、表示装置１０は、走査位置（走査光の位置）に応じて各光源素子の発光制御を行うことで、画素ごとの描画または虚像の表示を行うことができる。

一画面を描画する時間、すなわち１フレーム分の走査時間（二次元走査の１周期）は、
上記のように副走査周期が数十Ｈｚであることから、数十ｍｓｅｃとなる。例えば、主走査周期を２００００Ｈｚ、副走査周期を５０Ｈｚとした場合、１フレーム分の走査時間は、２０ｍｓｅｃとなる。

図８は、２次元走査時の走査線軌跡の一例を示す図である。スクリーン１５は、図８に示すように、中間像４０が描画される（画像データに応じて変調された光が照射される）画像領域６１（有効走査領域）と、画像領域６１を取り囲むフレーム領域６２を含む。

走査範囲は、スクリーン１５における画像領域６１とフレーム領域６２の一部（画像領域６１の外縁近傍の部分）を併せた範囲とする。図８において、走査範囲における走査線の軌跡は、ジグザグ線によって示される。図８において、走査線の本数は、便宜上、実際よりも少なくしている。

スクリーン１５は、上述のように、マイクロレンズアレイ１５０等の光拡散効果を持つ透過型の光学素子で構成されている。画像領域６１は、矩形または平面である必要はなく、多角形または曲面であってもよい。また、スクリーン１５は、光拡散効果を持たない平板または曲板であってもよい。さらに、スクリーン１５は、装置レイアウトに応じて、例えば、マイクロミラーアレイ等の光拡散効果を持つ反射型の光学素子とすることもできる。

スクリーン１５は、走査範囲における画像領域６１の周辺領域（フレーム領域６２の一部）に、受光素子を含む同期検知系６０を備える。図８において、同期検知系６０は、画像領域６１の−Ｘ側かつ＋Ｙ側の隅部に配置される。同期検知系６０は、光偏向装置１３の動作を検出して、走査開始タイミングや走査終了タイミングを決定するための同期信号をＦＰＧＡ１００１に出力する。

●光源装置●
●構成
続いて、図９乃至図２９を用いて、本実施形態に係る光源装置１１について説明する。まず、図９乃至図１２を用いて、本実施形態に係る光源装置１１の構成について説明する。

図９は、実施形態に係る光源装置の具体的構成の一例を示す図である。光源装置１１は、光源素子１１１（ｒ），１１１（ｇ），１１１（ｂ）（以下、区別する必要のないときは、光源素子１１１とする。）、カップリングレンズ１１２（ｒ），１１２（ｇ），１１２（ｂ）（以下、区別する必要のないときは、カップリングレンズ１１２とする。）、アパーチャ１１３（ｒ），１１３（ｇ），１１３（ｂ）（以下、区別する必要のないときはアパーチャ１１３とする。）、ミラー１１４、光合成素子１１５，１１６、光分岐素子１１７および光検出器１１９を含む。

三色（Ｒ，Ｇ，Ｂ）の光源素子１１１（ｒ），１１１（ｇ），１１１（ｂ）は、例えば、それぞれ単数または複数の発光点を有するＬＤ（レーザダイオード）である。光源素子１１１（ｒ），１１１（ｇ），１１１（ｂ）は、互いに異なる波長λＲ，λＧ，λＢ（例えば、λＲ＝６５０ｎｍ，λＧ＝５１５ｎｍ，λＢ＝４５０ｎｍ）のレーザ光（光束）を出力（射出）する。光源装置１１は、画像に必要な色生成のため、波長の異なる光束を出力する複数の光源素子１１１（１１１（ｒ），１１１（ｇ），１１１（ｂ））を有する。光源素子１１１を駆動させるための回路基板は、小型化や低コストを考え、各光源素子１１１（ｒ），１１１（ｇ），１１１（ｂ）を光源装置１１の同じ面に配置することで共通化される。なお、図９に示す光源素子１１１は、図２に示したＬＤ１００７に対応する構成である。

出力された各光束は、それぞれ対応するカップリングレンズ１１２（ｒ），１１２（ｇ），１１２（ｂ）によりカップリングされる。光源素子１１１から出力されるレーザ光（光束）は、拡散光であるため、対応するカップリングレンズ１１２によって集光されて平行光となる。半導体レーザは、指向性が高い一方で出射端において拡がりを有するため、次第に減衰してしまう。光源装置１１は、放射された光束の損失を小さくするため、カップリングレンズ１１２を用いて放射された光束を平行光にする。

カップリングされた各光束は、それぞれ対応するアパーチャ１１３（ｒ），１１３（ｇ），１１３（ｂ）により整形される。アパーチャ１１３は、光束の発散角等の所定の条件に応じた形状（例えば円形、楕円形、長方形、正方形等）を有する。アパーチャ１１３により整形された光束は、ミラー１１４と、２つの合成素子１１５，１１６とを用いて合成される。

ミラー１１４は、光源素子１１１（ｂ）から出力された光束を偏向して、光分岐素子１１７へ導光する。光合成素子１１５は、ミラー１１４により導光された光束と、光源素子１１１（ｇ）から出力された光束とを合成する。光合成素子１１６は、光合成素子１１５によって合成された光束と、光源素子１１１（ｒ）から出力された光束とをさらに合成する。光合成素子１１５，１１６は、プレート状またはプリズム状のダイクロイックミラーであり、波長に応じて光束を反射または透過し、一つの光束に合成する。光源素子１１１（ｒ），１１１（ｇ），１１１（ｂ）から出力された光束は、光合成素子１１５および光合成素子１１６によって合成され、同一の光路をたどるようになる。

光分岐素子１１７に入射した入射光の一部は、光分岐素子１１７を透過し、他の一部すなわち残部の少なくとも一部は、光分岐素子１１７で反射される。すなわち、光合成素子１１６によって合成された光束は、光分岐素子１１７によって透過光と反射光に分岐される。なお、光分岐素子１１７は、光合成素子１１６と光偏向装置１３との間の光路上に配置されていればよい。

透過光は、光偏向装置１３に照射され、スクリーン１５上での画像描画および虚像表示に用いられる。すなわち、透過光は、画像光として用いられる。一方で、反射光は、光検出器１１９に照射され、虚像の色や輝度を調整するためのモニタ光として用いられる。

光検出器１１９は、光分岐素子１１７によって分岐されたモニタ光の光量を検出する。光検出器１１９は、光源装置１１の小型化のため、複数の光源素子１１１から出力されたレーザ光（光束）を一つの素子で検出することが好ましい。

波長の異なる複数のレーザ光源を用いた光源装置１１において、表示させる虚像の色の表現は、液晶ディスプレイと同様に、白色を実現するホワイトバランスが基準となるので、ホワイトバランス（光量比）を適切に設定する必要がある。各光源素子１１１によって出力されるレーザ光（光束）の光量は、温度変化等の環境変動によって変動するため、ホワイトバランスを実現するための光量も変化してしまう。そこで、光源装置１１は、各光源素子１１１から出力されるレーザ光（光束）の光量変動を光検出器１１９で検出し、光源素子１１１によって出力されるレーザ光（光束）の光量制御（ＡＰＣ）を行う。光源装置１１は、合成素子１１６で合成されたレーザ光の一部を光分岐素子１１７によって光検出器１１９へ分岐させる。なお、光源装置１１は、光分岐素子１１７における分岐面をレーザ光（光束）の入射面とし、光分岐素子１１７によって反射されたレーザ光を光検出器１１９へ導光し、光分岐素子１１７を透過したレーザ光を光偏向装置１３へ導光するように、光分岐素子１１７が配置されている。

ここで、図１０を用いて、光源装置１１によって行われる光量制御のタイミングについて説明する。図１０は、実施形態に係る光源装置から射出されたレーザ光のスクリーン上における走査領域の一例を示す図である。

表示装置１０は、光源装置１１から射出、照射されたレーザ光（照射光）を、光偏向装置１３によって偏向させ、スクリーン１５上に二次元走査する。光量制御（ＡＰＣ）において、光源装置１１は、光検出器１１９によって検出されたモニタ光を用いて、光源素子１１１が所望の光量を出力するための電流デジタル値を決定するために、光源素子１１１を所定の期間点灯させる必要がある。また、光源装置１１は、光量制御（ＡＰＣ）の精度向上のために、複数の光量で光源素子１１１を点灯させる必要がある。そこで、図１０に示すように、スクリーン１５上の走査領域２３０は、画像光によって画像を形成するための画像形成領域（画像領域）２２０とは異なる位置に、光量制御領域（非画像領域、検出領域）２１０を有する。なお、画像形成領域２２０は、図８に示したような画像領域６１と同様である。光源装置１１は、光偏向装置１３によって画像光を光量制御領域２１０に走査させるタイミングで、光検出器１１９によって光量を検出し、各光源素子１１１から出力されるレーザ光の光量制御（ＡＰＣ）を行う。

観察者３に視認させる画像を形成する画像形成領域２２０で光量制御を行った場合、光量の変化に応じて、形成される画像に色ムラが生じてしまう。そのため、表示装置１０は、図１０に示すように、光量制御用のレーザ光を点灯させる光量制御領域２１０と画像形成領域２２０とを分離し、光量制御用のレーザ光を、画像形成領域２２０から遮光することによって、画像形成領域２２０に形成される画像の色ムラの発生を抑制することができる。

図１１は、実施形態に係る光源装置の構成の一例を概略的に示した図である。光源装置１１は、図９に示した構成に加えて、制御回路３００を含む。制御回路３００は、バスライン３０７を介して、光源素子１１１、光検出器１１９および第２の光検出器１２０に接続されている。制御回路３００は、光源装置１１の内部に実装された回路基板またはＩＣチップ等である。制御回路３００は、光検出器１１９および第２の光検出器１２０からの出力に基づいて、光源素子１１１から出力されるレーザ光の光量を制御する。なお、第２の光検出器１２０は、フロントガラス５０近傍に配置され、フロントガラス５０に投射された虚像４５の周囲の環境光の明度（又は照度）及び色度を検出する外光検出部の一例である。

制御回路３００は、ＦＰＧＡ３０１、ＣＰＵ３０２、ＲＯＭ３０３、ＲＡＭ３０４、Ｉ／Ｆ３０５、ドライバ３０６およびバスライン３０７を含む。ＦＰＧＡ３０１は、光源装置１１の設計者による設定変更が可能な集積回路である。ドライバ３０６は、ＦＰＧＡ３０１からの制御信号に応じて、光源素子１１１の駆動信号を生成する。ＣＰＵ３０２は、光源装置１１全体を制御するための処理を行う集積回路である。ＲＯＭ３０３は、ＣＰＵ３０２を制御するプログラムを記憶する記憶装置である。光源装置１１は、例えば、本発明に係るプログラムをＣＰＵ３０２またはＦＰＧＡ３０１が実行することによって、本発明に係る光量制御方法を実現する。なお、本発明に係る光量制御方法は、本発明に係るプログラムを図２に示したＣＰＵ１００２またはＦＰＧＡ１００１が実行することによって実現される構成であってもよい。ＲＡＭ３０４は、ＣＰＵ３０２のワークエリアとして機能する記憶装置である。Ｉ／Ｆ３０５は、光検出器１１９および第２の光検出器１２０と通信するためのインターフェースである。

続いて、図１２を用いて、実施形態に係る光源装置１１が有する制御回路３００によって実現される機能を説明する。図１２は、実施形態に係る制御回路の機能構成の一例を示す図である。図１２に示す制御回路３００によって実現される機能は、検出部３１０、光量算出部３３０、電流決定部３５０、駆動制御部３７０、記憶・読出制御部３９０および記憶部３０００を含む。検出部３１０、光量算出部３３０、電流決定部３５０、駆動制御部３７０、記憶・読出制御部３９０および記憶部３０００は、例えば、図１１に示したＦＰＧＡ３０１、ドライバ３０６およびＣＰＵ３０２の処理によって実現される。なお、検出部３１０、光量算出部３３０、電流決定部３５０、駆動制御部３７０、記憶・読出制御部３９０および記憶部３０００の機能は、表示装置１０に設けられた専用ＩＣ（例えば、図２に示したコントローラ１７）によって実現されてもよい。

検出部３１０は、光源装置１１による各光源素子１１１から出力されるレーザ光の光量制御（ＡＰＣ）を行うタイミングを検出する機能である。検出部３１０は、例えば、光偏向装置１３からの同期信号によって、図１０に示した光量制御領域２１０に対する走査期間であることを検出する。また、検出部３１０は、光偏向装置１３による走査周期を予め記憶し、光量制御領域２１０の走査周期であることを検出してもよい。検出部３１０は、主に、図１１に示したＦＰＧＡ３０１、ＣＰＵ３０２およびＩ／Ｆ３０５の処理によって実現される。

光量算出部３３０は、光検出器１１９によって検出されたレーザ光（光束）の平均光量を算出する機能である。光量算出部３３０は、例えば、光検出器１１９から出力される検出信号に基づいて、光源素子１１１から出力されたレーザ光の平均光量を算出する。光量算出部３３０は、光源素子１１１ごとにそれぞれから出力されるレーザ光の平均光量を算出する。光量算出部３３０は、主に、図１１に示したＦＰＧＡ３０１、ＣＰＵ３０２およびＩ／Ｆ３０５の処理によって実現される。

電流決定部３５０は、光量制御（ＡＰＣ）によって、光量制御範囲を設定するためのオフセット値およびゲイン値、並びに光源素子１１１から所定の光量のレーザ光を出力させるための電流デジタル値を決定する機能である。すなわち、電流デジタル値は、光源素子１１１に流れる電流値を示す。電流決定部３５０は、主に、図１１に示したＦＰＧＡ３０１およびＣＰＵ３０２の処理によって実現される。電流決定部３５０は、電流決定手段の一例である。

駆動制御部３７０は、電流決定部３５０によって決定されたパラメータに基づいて、光源素子１１１の駆動を制御する機能である。駆動制御部３７０は、主に、図１１に示したＦＰＧＡ３０１およびＣＰＵ３０２の処理によって実現される。駆動制御部３７０は、駆動制御手段の一例である。駆動制御部３７０は、変換部３７１、オフセット制御部３７２およびゲイン制御部３７３を含む。

変換部３７１は、電流決定部３５０によって決定された電流デジタル値を、光源素子１１１を駆動させるためのアナログ電流値に変換する機能である。変換部３７１によって変換されたアナログ電流値は、光源素子１１１から出力されるレーザ光の出力電流値の一例である。

オフセット制御部３７２は、電流決定部３５０によって設定されたオフセット値に基づいて、光源素子１１１の電流値をオフセットする機能である。

ゲイン制御部３７３は、電流決定部３５０によって設定されたゲイン値に基づいて、光源素子１１１の電流値を増幅させる機能である。

記憶・読出制御部３９０は、記憶部３０００に各種データを記憶させ、または記憶部３０００から各種データを読み出す機能である。記憶・読出制御部３９０は、主に、図１１に示したＦＰＧＡ３０１、ＣＰＵ３０２の処理によって実現される。記憶部３０００は、主に、図１１に示したＦＰＧＡ３０１、ＣＰＵ３０２およびＲＯＭ３０３によって実現される。

●光量制御
続いて、図１３乃至図１７を用いて、光源装置１１による光量制御について説明する。

図１３は、光源素子からの出力光量とアナログ電流値の特性を示す図である。図１３は、絶対最大定格が５０ｍＷである光源素子の出力光量の電流値特性（ＩＬ特性）の一例を示す。図１３に示すように、光源素子１１１の出力光量は、発振閾値電流（１００ｍＡ）の前後で特性が異なり、発振閾値より小さい電流値ではほとんど発光せず、発振閾値より大きい電流値では線形性が高い。光源装置１１は、光源素子１１１の出力光量の制御を、図１２に示したような駆動制御部３７０を用いて行われる。また、光源装置１１は、アナログ値（以下、アナログ電流値と称する。）ではなくデジタル値（以下、電流デジタル値と称する）を、駆動制御部３７０に設定する。駆動制御部３７０は、例えば、電流値を１０ｂｉｔで処理し、アナログ電流値０ｍＡを０ｄｉｇｉｔ、アナログ電流値３００ｍＡを１０２３ｄｉｇｉｔに対応させた場合、図１４（ａ）に示すようなＩＬ特性が得られる。光源装置１１は、図１０に示したような光量制御領域２１０において、離散的な複数の光量で光源素子１１１を発光させ、光検出器１１９による出力を得ることで、画像描画および虚像表示に必要な光量（出力値）となる電流デジタル値を探索する。

光検出器１１９へは光源素子１１１から出力されたレーザ光の一部が到達する。光検出器１１９へ入射したレーザ光は、図１４（ｂ）に示すようなデジタル値で処理される。そこで、光源装置１１は、予め調整工程等で光検出器１１９の出力と光源光量との関係を取得しておくことで、図１４（ｂ）に示すような光検出器１１９の出力値を、図１４（ａ）に示すような光源光量に変換することができる。光量算出部３３０は、光検出器１１９の出力と光源光量の関係に基づいて、光検出器１１９からの出力された出力値から、光源素子１１１から出力されたレーザ光の光量を算出する。なお、光検出器１１９の出力と光源光量の関係（近似式）は、予め記憶部３０００に記憶されている。

電流デジタル値１ｄｉｇｉｔあたりの分解能は、約０．３ｍＡ／ｄｉｇｉｔであり、発振閾値電流以上の光量は、０．０７ｍＷ／ｄｉｇｉｔとなる。環境照度が低い場合、ＨＵＤのような車載装置である表示装置１０が必要な光源素子１１１からの出力光量の上限は、例えば、１０ｍＷである。この場合、発振閾値電流に対応するデジタル電流値（３４０ｄｉｇｉｔ）から出力光量の上限値（１０ｍＷ）に対応するデジタル電流値（４８０ｄｉｇｉｔ）までの範囲が有効な電流デジタル値（以下、有効電流デジタル値と称する。）となる。この有効電流デジタル値の範囲が、光量制御が行うことが可能な範囲（以下、光量制御範囲と称する。）である。

ここで、一般的に画像の階調は、２５６段階で表される。一方で、光量制御範囲は、１４０ｄｉｇｉｔ（３４０ｄｉｇｉｔ〜４８０ｄｉｇｉｔ）であるため、滑らかな階調表現を行うことが困難である。また、光源素子が出力可能な最大電流値（最大アナログ電流値）は、画像描画に必要な電流値に対して余裕を持たせるため、３００ｍＡ以上に設計される。電流デジタル値に対応するアナログ電流値を大きくした場合、デジタル値１ｄｉｇｉｔ当たりの制御電流値の範囲が大きくなるので、光量制御の分解能は低くなる。したがって、１０２３ｄｉｇｉｔに対応するアナログ電流値が高くなり、光量制御範囲は、１４０ｄｉｇｉｔ以下となるため、光量制御の分解能は、さらに低くなってしまう。

そこで、光量制御の分解能を高める方法として、光源素子１１１を駆動させるためのゲイン値およびオフセット値を最適値に設定する方法がある。ここで、アナログ電流値、電流デジタル値、ゲイン値およびオフセット値の関係は、以下の式１のように表される。式１に示されるように、光源装置１１は、光源素子１１１を駆動させるために設定されるオフセット値およびゲイン値を制御することで、同じ電流デジタル値が入力されても、光源素子１１１から出力するレーザ光のアナログ電流値（出力電流値）を変更することができる。

アナログ電流値＝電流デジタル値 × ゲイン値 ＋ オフセット値 ・・・（式１）

また、式１に示されるように、光源装置１１は、ゲイン値を制御することで、電流デジタル値に対応する出力電流値（アナログ電流値）をｇ倍させることができる。

図１５は、実施形態に係る光源装置において、光量制御方法の一例を示すフローチャートである。

制御回路３００は、図１１で示した第２の光検出器１２０からの検出信号に基づき、外光の照度が変化したか判断する（ステップＳ１）。

制御回路３００は、外光の照度が変化した場合、変化後の外光の照度に応じた光量テーブルに切り替える（ステップＳ２）。

制御回路３００は、画像形成領域２２０走査中に、光量テーブル毎の設定電流範囲内で、画像の階調に応じて光源素子１１１に流れる電流を制御する（ステップＳ３）。

制御回路３００は、光量制御領域２１０走査中に、検出用電流範囲内で光源素子１１１に流れる電流を変化させ、光検出器１１９で光量を検出する（ステップＳ４）。

制御回路３００は、光量制御領域２１０走査中に、検出用電流範囲内で光源素子１１１に流れる電流を離散的に変化させたときの離散的な複数の電流値のそれぞれと、光検出器１１９で検出した複数の光量値のそれぞれとの関係に基づき、図１４で説明したように、光量テーブルを更新する（ステップＳ５）。

図１６は、実施形態に係る光源装置における光量テーブルの一例である。光量テーブルは、ＲＯＭ３０３に記憶されている。制御回路３００は、図１５のステップＳ２で説明したように、第２の光検出器１２０からの検出信号に基づき、テーブルＮＯ．１〜９の中から、外光の照度に応じた一つのテーブルを選択する。

光量テーブルには、テーブルＮＯ．１〜９毎に、設定光量範囲および設定電流範囲が記憶されている。すなわち、制御回路３００は、複数の設定光量範囲から一の設定光量範囲を選択するとともに、複数の設定電流範囲から一の設定電流範囲を選択する。

テーブルＮＯ．１には、最小光量０〜最大光量１００％が設定光量範囲として予め設定、記憶されており、最小電流０〜最大電流１００％が設定電流範囲として予め設定、記憶記憶されている。同様に、テーブルＮＯ．２〜９には、最小光量０とテーブル毎に異なる最大光量により設定される設定光量範囲と、最小電流０とテーブル毎に異なる最大電流により設定される設定電流範囲が記憶されている。

テーブルＮＯ．４〜６には、設定光量範囲と設定電流範囲のほかに、照射光をＰＷＭ制御によりパルス変調する際のオン時間の比率が予め設定、記憶されている。

制御回路３００は、テーブルＮＯ．４〜６の何れかを選択した場合、テーブルＮＯ．４〜６に記憶されたオン時間に基づき、光源素子１１１を点灯させるパルス幅を変更して照射光をＰＷＭ制御する。

テーブルＮＯ．７〜９には、設定光量範囲と設定電流範囲のほかに、テーブルＮＯ．４〜６よりも小さく設定されるパルスのオン時間と、パルスの間引き率が予め設定、記憶記憶されている。

制御回路３００は、テーブルＮＯ．７〜９の何れかを選択した場合、テーブルＮＯ．７〜９に記憶されたオン時間およびパルスの間引き率に基づき、光源素子１１１を点灯させるパルス幅を変更して照射光をＰＷＭ制御するとともに、パルスを間引き制御する。

また、制御回路３００は、単位時間あたりのパルスのオン時間が異なる複数のパルス条件（テーブルＮＯ．１〜３、テーブルＮＯ．４〜６またはテーブルＮＯ．７〜９）から一のパルス条件を選択している。

図１７は、（ａ）階調と光量の関係、および（ｂ）階調と電流の関係を示す図である。

画像の階調と光源素子１１１から出力される光量との関係式は、図１７（ａ）に示すように、直線的でなく所定のγ値（表示画像中の階調の変化と光量との比を示す指標）を有する曲線Ｃ２で表される。これにより、表示画像を滑らかなグレースケールで表現することができる。曲線Ｃ２を示す情報は、例えばγ値の補正係数を有する演算式、又は階調毎の光量のデータテーブルとして、図１６に示したテーブルＮＯ．１〜９毎に、予めＲＯＭ３０３に格納されている。

画像の階調と光源素子１１１に流れる電流との関係式は、図１３に示した光量の電流値特性と、図１７（ａ）に示した階調と光量との関係式に基づき、図１７（ｂ）に示すように、曲線Ｃ３で表される。曲線Ｃ３を示す情報は、演算式又は階調毎の電流値のデータテーブルとして、図１６に示したテーブルＮＯ．１〜９毎に、予めＲＯＭ３０３に格納されている。

そして、制御回路３００は、図１５のステップＳ３で説明したように、画像形成領域２２０走査中に、光量テーブル毎のパルス条件および設定電流範囲内で、画像の階調（画像情報）に応じて光源素子１１１に流れる電流を制御することにより、画像の階調（画像情報）に基づき、光量テーブル毎の設定光量範囲内で、光源素子１１１から照射される照射光の光量を変化させる。

図１８は、光量制御領域２１０における電流及び光量の制御を説明する図である。

制御回路３００は、図１５で説明したステップＳ４において、一例として図１８に示す８つの電流値を用いて光源素子１１１に流れる電流を制御し、８つの電流値のそれぞれに対して光検出器１１９で光量を検出する。

すなわち、制御回路３００は、検出用電流範囲としての電流デジタル値１００〜８００の範囲で電流を離散的に変化させ、これにより、検出光量範囲としての約４〜約２９ｍＷの範囲で目標光量を離散的に変化させる。

そして、制御回路３００は、光量制御領域２１０走査中に、離散的に電流を変化させたときの複数の電流値のそれぞれと、光検出器１１９で検出した複数の光量値のそれぞれとの関係に基づき、図１４で説明したように、光量テーブルの設定電流範囲を更新する。

ここで、光源素子１１１の出力光量と電流デジタル値の特性は、線形性が悪い場合があり、この特性を精度良く近似するには、検出用電流範囲および検出光量範囲をなるべく大きくして、電流デジタル値および検出光量のサンプル数をなるべく多くすることが望ましい。

しかしながら、図１６に示すテーブルＮＯ．６〜９等においては、最大光量が小さい（テーブルＮＯ．１の最大光量の１０％以下）ため、検出用電流範囲の最小電流のときの光量（検出光量範囲の最小光量）が、光検出器１１９で検出可能な光量未満となってしまう可能性があった。この場合、光量の小さい側のサンプルを確保できなくなり、光量の小さい側で光量制御の精度が悪化する可能性があった。

図１９は、パルス幅の異なる２つのＩＬ特性の説明図である。図中、実線は、デューティ比（パルスのオン時間の比率）が５０％の場合のＩＬ特性を示し、破線は、デューティ比が１６％の場合のＩＬ特性を示す。

ここで、検出用電流範囲ΔＩを５０〜８０とする場合、デューティ比５０％のＩＬ特性における検出用光量範囲ΔＰａは約２．５〜約４．５ｍＡ、デューティ比が１６％のＩＬ特性における検出用光量範囲ΔＰｂは約０．２〜０．８ｍＡとなる。

しかしながら、例えば、光検出器１１９で検出可能な光量の最小値を０．４ｍＷとする場合、デューティ比が１６％のＩＬ特性の場合、検出用電流範囲ΔＩのうち５０〜６０に対する光量を検出することができなくなってしまう。なお、光検出器１１９で検出可能な光量の最小値とは、例えば、９７％以上の精度で光量を検出可能な光量の最小値のことである。

そこで、本実施形態では、一例として、画像形成領域２２０を走査するときに、デューティ比１６％で制御する場合でも、光量制御領域２１０を走査するときには、デューティ比５０％で制御する。

すなわち、制御回路３００は、照射光をパルス変調しており、光偏向装置１３が光量制御領域２１０にて照射光を走査するときに、光偏向装置１３が画像形成領域２２０にて照射光を走査するときよりも、単位時間あたりのパルスのオン時間を大きくして、設定電流範囲（０〜９０）内で光源素子１１１に流れる電流を制御する。

これにより、制御回路３００は、光偏向装置１３が光量制御領域２１０にて照射光を走査するときに、照射光の光量が設定光量範囲（０〜約１２ｍＷ）を超える第１の光量（一例として約２．５ｍＡ）を含む第１の検出光量範囲（約２．５〜約４．５ｍＡ）内で、照射光の光量が変化するように光源素子１１１を制御することができる。

以上の構成により、表示装置１０は、光検出器１１９が、設定光量範囲（０〜約１２ｍＷ）内の光量では、光量不足により必要な範囲の複数の光量（約０．２〜０．４ｍＡ）を検出できない場合でも、光偏向装置１３が光量制御領域２１０にて照射光を走査するときに、第１の検出光量範囲（約２．５〜約４．５ｍＡ）内で照射光の光量が変化するように光源素子１１１を制御することにより、光検出器１１９が、必要な範囲の光量を検出することができる。

そして、制御回路３００は、図１４に示したように、光検出器１１９の出力に基づき、設定電流範囲を設定するために必要な範囲の光量を検出することにより、設定電流範囲を設定することができる。

図２０は、単位時間あたりのパルス数が異なる２つのＩＬ特性の説明図である。

図２０（ａ）は、画像形成領域２２０を走査するときに、ＰＷＭ制御を行い、かつパルス数の間引き制御を行った場合を示す。図２０（ａ）の場合、平均光量が０．１ｍＡであり、光検出器１１９で検出可能な閾値光量０．４ｍＷ未満であるため、光検出器１１９では光量を検出できない。

そこで、図２０（ｂ）に示すように、光量制御領域２１０を走査するときに、パルス数を増やしてＰＷＭ制御を行うことにより、平均光量を０．５ｍＡとすることができる。これにより、平均光量を光検出器１１９の検出可能な閾値光量０．４ｍＷ以上にすることにより、光検出器１１９が光量を検出できる。

なお、図２０（ｂ）の例では、単位時間（一画素）あたりのパルス数５個で光源素子１１１を制御することにより、電流１５０ｍＡに対する光量０．５ｍＡの関係が得られており、この関係を単位時間（一画素）あたりのパルス数１個で光源素子１１１を制御する場合に換算すると、電流１５０ｍＡに対する光量０．１ｍＡの関係が得られる。

以上のように、制御回路３００は、照射光をパルス変調しており、光偏向装置１３が光量制御領域２１０にて照射光を走査するときに、光偏向装置１３が画像形成領域２２０にて照射光を走査するときよりも、単位時間あたりのパルス数を多くする。

そして、制御回路３００は、図１９と同様に、設定電流範囲内で光源素子１１１に流れる電流を制御することにより、光偏向装置１３が光量制御領域２１０にて照射光を走査するときに、照射光の光量が設定光量範囲を超える第１の光量を含む第１の検出光量範囲内で、照射光の光量が変化するように光源素子１１１を制御することができる。

これにより、表示装置１０は、図１９と同様に、光検出器１１９が、設定光量範囲内の光量では、光量不足により必要な範囲の光量（０．１ｍＡ）を検出できない場合でも、光偏向装置１３が光量制御領域２１０にて照射光を走査するときに、第１の検出光量範囲内で照射光の光量が変化するように光源素子１１１を制御することにより、光検出器１１９が、必要な範囲の光量を検出することができる。

そして、制御回路３００は、図１４に示したように、光検出器１１９の出力に基づき、設定電流範囲を設定するために必要な範囲の光量を検出することにより、設定電流範囲を設定することができる。

図２１は、図１５に示したフローチャートのステップＳ４の詳細を示すフローチャートである。

制御回路３００は、光量制御領域２１０走査中に用いられる検出用電流範囲の最小電流のときの目標光量が、閾値光量未満か判断する（ステップＳ４１）。

制御回路３００は、検出用電流範囲の最小電流のときの目標光量が、閾値光量以上の場合、光量制御領域２１０走査中に、単位時間あたりのパルスのオン時間を変化させずに、検出用電流範囲内で光源素子１１１に流れる電流を変化させ、光検出器１１９で光量を検出する（ステップＳ４２）。

一方、制御回路３００は、検出用電流範囲の最小電流のときの目標光量が、閾値光量未満の場合、光量制御領域２１０走査中に、単位時間あたりのパルスのオン時間を大きくして、検出用電流範囲内で光源素子１１１に流れる電流を変化させ、光検出器１１９で光量を検出する（ステップＳ４３）。

すなわち、制御回路３００は、光偏向装置１３が光量制御領域２１０にて照射光を走査するときに、第２の検出光量範囲（一例として図１９に示したΔＰａ）のうち最も小さい光量（図１９の例では２．５ｍＡ）が光検出器１１９の感度に関連する閾値光量（図１９の例では０．４ｍＡ）以上の場合には（第２の条件）、第２の検出光量範囲（図１９の例では約２．５〜約４．５ｍＡ）内の光量で照射光の光量が変化するように光源素子１１１を制御する。

一方、制御回路３００は、光偏向装置１３が光量制御領域２１０にて照射光を走査するときに、第２の検出光量範囲（一例として図１９に示したΔＰｂ）のうち最も小さい光量（図１９の例では約０．２ｍＡ）が光検出器１１９の感度に関連する閾値光量（図１９の例では０．４ｍＡ）未満の場合には（第１の条件）、設定光量範囲（図１９の例では０〜約１２ｍＷ）を超える第１の光量（一例として約２．５ｍＡ）を含む第１の検出光量範囲（図１９の例では約２．５〜約４．５ｍＡ）内の光量で記照射光の光量が変化するように光源素子１１１を制御する。

これにより、光検出器１１９が、設定光量範囲内の光量では、光量不足により必要な範囲の光量を検出できない第１の条件、および設定光量範囲内の光量で、必要な範囲の複数の光量を検出できる第２の条件の何れの場合でも、光検出器１１９が、必要な範囲の光量を検出することができる。

そして、制御回路３００は、図１４、図１５のステップ５および図１８に示したように、光検出器１１９の出力に基づき、設定電流範囲を設定するために必要な範囲の光量を検出することにより、設定電流範囲を設定することができる。

●まとめ●
以上説明したように、本発明の一実施形態に係る表示装置１０は、光源素子１１１（光源）から照射される照射光を、主走査方向（第１の走査方向）と、主走査方向に交差する副走査方向（第２の走査方向）とに走査する光偏向装置１３（走査部）と、光偏向装置１３により照射光が走査されるスクリーン１５と、光偏向装置１３が、スクリーン１５上の画像形成領域（画像領域）２２０にて照射光を走査するときに、画像情報に基づき、予め設定された光量の範囲を示す設定光量範囲内で照射光の光量が変化するように、光源素子１１１を制御する制御回路３００（制御部）と、光偏向装置１３が画像形成領域２２０とは異なる位置の光量制御領域（検出領域）２１０にて照射光を走査するときに、照射光の光量を検出する光検出器１１９（光検出部）と、を備え、制御回路３００は、光偏向装置１３が光量制御領域２１０にて照射光を走査するときに、設定光量範囲を超える第１の光量を含む第１の検出光量範囲内で、照射光の光量が変化するように光源素子１１１を制御する。

これにより、光検出器１１９が、設定光量範囲内の光量では、光量不足により必要な範囲の複数の光量を検出できない場合でも、光偏向装置１３が光量制御領域２１０にて照射光を走査するときに、上記第１の検出光量範囲内で照射光の光量が変化するように光源素子１１１を制御することにより、光検出器１１９が、必要な範囲の複数の光量を検出することができる。

制御回路３００は、光偏向装置１３が光量制御領域２１０にて照射光を走査するときに、第１の条件の場合には、第１の検出光量範囲内の光量で、前記照射光の光量が変化するように光源素子１１１を制御し、第２の条件の場合には、設定光量範囲に含まれる第２の検出光量範囲内で、前記照射光の光量が変化するように光源素子１１１を制御する。

ここで、第１の条件は、第２の検出光量範囲のうち最も小さい光量が光検出器１１９の感度に関連する閾値光量未満であり、第２の条件は、第２の検出光量範囲のうち最も小さい光量が閾値光量以上である。

これにより、光検出器１１９が、設定光量範囲内の光量では、光量不足により必要な範囲の光量を検出できない第１の条件の場合でも、光偏向装置１３が光量制御領域２１０にて照射光を走査するときに、上記第１の検出光量範囲内で照射光の光量が変化するように光源素子１１１を制御することにより、光検出器１１９が、必要な範囲の光量を検出することができる。

一方、光検出器１１９が、設定光量範囲内の光量で、必要な範囲の複数の光量を検出できる第２の条件の場合には、光偏向装置１３が光量制御領域２１０にて照射光を走査するときに、設定光量範囲に含まれる第２の検出光量範囲内で照射光の光量が変化するように光源素子１１１を制御することにより、光検出器１１９が、必要な範囲の複数の光量を検出することができる。

制御回路３００は、第２の光検出器１２０からの検出信号に基づき、複数の設定光量範囲から一の設定光量範囲を選択する。

この場合、光検出器１１９が、光量不足により必要な範囲の光量を検出できないような設定光量範囲が複数あっても、設定光量範囲のそれぞれに対して、光偏向装置１３が光量制御領域２１０にて照射光を走査するときに、第１の検出光量範囲内で照射光の光量が変化するように光源素子１１１を制御することにより、光検出器１１９が、必要な範囲の光量を検出することができる。

照射光はレーザ光であり、制御回路３００は、光偏向装置１３が画像形成領域２２０にて照射光を走査するときに、画像情報に基づき、予め設定された電流値の範囲を示す設定電流範囲内で光源素子１１１に流れる電流を制御する。

制御回路３００は、第１の検出光量範囲内で照射光の光量が変化するように光源素子１１１を制御したときの光検出器１１９の出力に基づき、設定電流範囲を設定する。

これにより、光検出器１１９が、設定光量範囲内の光量では、光量不足により、設定電流範囲を設定するために必要な範囲の光量を検出できない場合でも、光偏向装置１３が光量制御領域２１０にて照射光を走査するときに、第１の検出光量範囲内で照射光の光量が変化するように光源素子１１１を制御することにより、光検出器１１９が、設定電流範囲を設定するために必要な範囲の光量を検出することができる。そして、制御回路３００は、光検出器１１９の出力に基づき、設定電流範囲を設定することができる。

制御回路３００は、照射光をパルス変調しており、光偏向装置１３が光量制御領域２１０にて照射光を走査するときに、光偏向装置１３が画像形成領域２２０にて照射光を走査するときよりも、単位時間あたりのパルスのオン時間を大きくして、設定電流範囲内で光源素子１１１に流れる電流を制御する。

これにより、光検出器１１９が、設定光量範囲内の光量では、光量不足により必要な範囲の複数の光量を検出できない場合でも、光偏向装置１３が光量制御領域２１０にて照射光を走査するときに、単位時間あたりのパルスのオン時間を大きくすることにより、上記第１の検出光量範囲内で照射光の光量を変化させて、光検出器１１９が、必要な範囲の複数の光量を検出することができる。

制御回路３００は、照射光をパルス変調しており、光偏向装置１３が光量制御領域２１０にて照射光を走査するときに、光偏向装置１３が画像形成領域２２０にて照射光を走査するときよりも、単位時間あたりのパルス数を多くして、設定電流範囲内で光源素子１１１に流れる電流を制御する。

この場合、光源素子１１１に流れる電流が同じ条件で、単位時間あたりのパルス数と光量の関係には線形性があるため、単位時間あたりのパルス数を多くすることにより、照射光の光量を線形的に増加させることができる。

なお、他の実施形態として、光偏向装置１３が光量制御領域２１０にて照射光を走査するときに、光偏向装置１３が画像形成領域２２０にて照射光を走査するときよりも、パルス幅を長くすることにより、単位時間あたりのパルスのオン時間を大きくしてもよい。

さらに、別の実施形態として、光偏向装置１３が光量制御領域２１０にて照射光を走査するときに、設定電流範囲を超える第１の電流を含む第１の検出電流範囲内で、光源素子１１１に流れる電流を制御することにより、設定光量範囲を超える第１の光量を含む第１の検出光量範囲内で、照射光の光量を変化させてもよい。

制御回路３００は、第２の光検出器１２０からの検出信号に基づき、複数の設定電流範囲から一の設定電流範囲を選択する。

この場合、光検出器１１９が、光量不足により必要な範囲の光量を検出できないような設定電流範囲が複数あっても、設定電流範囲のそれぞれに対して、光偏向装置１３が光量制御領域２１０にて照射光を走査するときに、光偏向装置１３が画像形成領域２２０にて照射光を走査するときよりも、単位時間あたりのパルス数を多くして、設定電流範囲内で光源素子１１１に流れる電流を制御することにより、光検出器１１９が、必要な範囲の光量を検出することができる。

制御回路３００は、照射光をパルス変調しており、第２の光検出器１２０からの検出信号に基づき、単位時間あたりのパルスのオン時間が異なる複数のパルス条件から一のパルス条件を選択し、選択されたパルス条件を用いて、画像情報に基づき、設定電流範囲内で光源素子１１１に流れる電流を制御する。

この場合、光検出器１１９が、光量不足により必要な範囲の光量を検出できないようなパルス条件が複数あっても、パルス条件のそれぞれに対して、光偏向装置１３が光量制御領域２１０にて照射光を走査するときに、光偏向装置１３が画像形成領域２２０にて照射光を走査するときよりも、単位時間あたりのパルス数を多くして、設定電流範囲内で光源素子１１１に流れる電流を制御することにより、光検出器１１９が、必要な範囲の光量を検出することができる。

本発明の一実施形態に係る表示システム１および移動体は、以上説明した表示装置１０を備え、スクリーン１５は、照射光を発散して投射するものであり、照射光を反射するフロントガラス５０（反射部材）と、スクリーン１５から投射される照射光をフロントガラス５０に向けて投射する自由曲面ミラー３０（結像光学系）と、をさらに備える。

●補足●
なお、本発明の一実施形態に係る光源装置、表示装置、表示システムおよび移動体について説明してきたが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、当業者が想到することができる範囲内で変更することができる。

また、本発明の一実施形態に係る光源装置を搭載した表示装置１０は、ＨＵＤ装置に限られず、例えば、ヘッドマウントディスプレイ装置、プロンプタ装置、プロジェクタ装置であってもよい。例えば、本発明の一実施形態に係る光源装置１１をプロジェクタ装置に適用する場合、プロジェクタ装置を表示装置１０と同様に構成することができる。すなわち、表示装置１０は、自由曲面ミラー３０を介した画像光を映写幕や壁面等に投影すればよい。なお、表示装置１０は、自由曲面ミラー３０を介さずに、スクリーン１５を介した画像光を映写幕や壁面等に投影してもよい。

１ 表示システム
１０ 表示装置
１１ 光源装置
１３ 光偏向装置（走査部の一例）
１５ スクリーン（光学素子の一例）
３０ 自由曲面ミラー（結像光学系の一例）
５０ フロントガラス（反射部材の一例）
１１１ 光源素子（光源の一例）
１１９ 光検出器（光検出部の一例）
１２０ 第２の光検出器（外光検出部の一例）
３００ 制御回路（制御部の一例）
３５０ 電流決定部（電流決定手段の一例）
３７０ 駆動制御部（駆動制御手段の一例）
３７１ 変換部
３７２ オフセット制御部
３７３ ゲイン制御部

ＷＯ２０１７／１３８３２１号公報 特開２０１５‐０４９２６６号公報

Claims (13)

1. 光源から照射される照射光を、第１の走査方向と、第１の走査方向に交差する第２の走査方向とに走査する走査部と、
   前記走査部により前記照射光が走査されるスクリーンと、
   前記走査部が、前記スクリーン上の画像領域にて前記照射光を走査するときに、画像情報に基づき、予め設定された光量の範囲を示す設定光量範囲内で前記照射光の光量が変化するように、前記光源を制御する制御部と、
   前記走査部が前記画像領域とは異なる位置の検出領域にて前記照射光を走査するときに、前記照射光の光量を検出する光検出部と、を備え、
   前記制御部は、前記走査部が前記検出領域にて前記照射光を走査するときに、前記設定光量範囲を超える第１の光量を含む第１の検出光量範囲内で、前記照射光の光量が変化するように前記光源を制御する表示装置。
2. 前記制御部は、前記走査部が前記検出領域にて前記照射光を走査するときに、第１の条件の場合には、前記第１の検出光量範囲内で、前記照射光の光量が変化するように前記光源を制御し、第２の条件の場合には、前記設定光量範囲に含まれる第２の検出光量範囲内で、前記照射光の光量が変化するように前記光源を制御する請求項１記載の表示装置。
3. 前記第１の条件は、前記第２の検出光量範囲のうち最も小さい光量が閾値光量未満であり、前記第２の条件は、前記第２の検出光量範囲のうち最も小さい光量が閾値光量以上である請求項２記載の表示装置。
4. 前記制御部は、複数の前記設定光量範囲から一の前記設定光量範囲を選択する請求項１〜３の何れか記載の表示装置。
5. 前記照射光はレーザ光であり、
   前記制御部は、前記走査部が前記画像領域にて前記照射光を走査するときに、前記画像情報に基づき、予め定められた電流値の範囲を示す設定電流範囲内で前記光源に流れる電流を制御する請求項１〜４の何れか記載の表示装置。
6. 前記制御部は、前記第１の検出光量範囲内で前記照射光の光量が変化するように前記光源を制御したときの前記光検出部の出力に基づき、前記設定電流範囲を設定する請求項５記載の表示装置。
7. 前記制御部は、前記照射光をパルス変調しており、前記走査部が前記検出領域にて前記照射光を走査するときに、前記走査部が前記画像領域にて前記照射光を走査するときよりも、単位時間あたりのパルスのオン時間を大きくして、前記設定電流範囲内で前記光源に流れる電流を制御する請求項５または６記載の表示装置。
8. 前記制御部は、前記走査部が前記検出領域にて前記照射光を走査するときに、前記走査部が前記画像領域にて前記照射光を走査するときよりも、単位時間あたりのパルス数を多くして、前記設定電流範囲内で前記光源に流れる電流を制御する請求項７記載の表示装置。
9. 前記制御部は、複数の前記設定電流範囲から一の前記設定電流範囲を選択する請求項５〜８の何れか記載の表示装置。
10. 前記制御部は、前記照射光をパルス変調しており、
    単位時間あたりのパルスのオン時間が異なる複数のパルス条件から一の前記パルス条件を選択し、
    選択された前記パルス条件を用いて、前記画像情報に基づき、前記設定電流範囲内で前記光源に流れる電流を制御する請求項５〜９の何れか記載の表示装置。
11. 請求項１〜１０の何れか記載の表示装置を備え、
    前記スクリーンは、前記照射光を発散して投射するものであり、
    前記照射光を反射する反射部材と、
    前記スクリーンから投射される前記照射光を前記反射部材に向けて投射する結像光学系と、をさらに備えることを特徴とする表示システム。
12. 請求項１１記載の表示システムを備え、
    前記反射部材はフロントガラスである移動体。
13. 光源から照射される照射光により画像領域を走査するときに、画像情報に基づき、予め設定された光量の範囲を示す設定光量範囲内で前記照射光の光量を変化させるステップと、
    光検出部により前記照射光の光量が検出される検出領域を、前記照射光により走査するときに、前記照射光の光量が前記設定光量範囲を超える第１の光量を含む第１の検出光量範囲内で、前記照射光の光量を変化させるステップと、
    を実行する光量制御方法。

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